BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang 1
Chöông 1: VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN
CHÖÔNG 1 VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN (VLDÑ)
1.1. Caùc quaù trình vaät lí trong VLDÑ vaø caùc tính chaát cuûa chuùng
1.1.1 Caùc khaùi nieäm cô baûn veà chaát daãn ñieän
Doøng ñieän laø söï chuyeån dòch coù traät töï cuûa caùc ñieän tích döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän
tröôøng. Doøng ñieän xuaát hieän trong vaät chaát bò aûnh höôûng bôûi ñieän aùp, khi ñoù döôùi
taùc duïng cuûa löïc ñieän tröôøng seõ taïo ra caùc traïng thaùi chuyeån ñoäng moät caùch coù
traät töï cuûa caùc ñieän tích coù trong vaät chaát. Nhö vaäy ñieàu kieän caàn thieát ñeå coù doøng
ñieän ôû baát kyø vaät chaát naøo chính laø söï toàn taïi caùc ñieän tích töï do. Nhöng tuøy thuoäc
vaøo baûn chaát thieân nhieân cuûa caùc haït mang ñieän coù trong vaät chaát, hieän töôïng daãn
ñieän ñöôïc quan saùt coù nhöõng söï khaùc bieät raát khaùc nhau. Nhöõng daïng daãn ñieän
chuû yeáu goàm:
- Tính daãn ñieän ñieän töû: Haït mang ñieän laø nhöõng ñieän tích aâm, chính xaùc
hôn laø caùc ñieän töû. Tính daãn ñieän naøy laø ñaëc tính daãn ñieän cuûa kim loaïi
vaø baùn daãn ñieän töû.
- Tính daãn ñieän ion hay phaân li: Haït mang ñieän laø nhöõng ion, coù theå laø
caùc ñieän tích döông hoaëc aâm cuûa phaân töû hay nguyeân töû. Söï chuyeån
dòch cuûa caùc ñieän tích daãn ñeán hieän töôïng ñieän phaân.
- Tính daãn ñieän ñieän di(thöôøng thaáy ôû ñieän moâi loûng): Vaät chaát mang
ñieän laø nhöõng nhoùm ñieän tích cuûa phaân töû (hay molion). Söï toàn taïi cuûa
doøng ñieän trong vaät chaát daãn ñeán hieän töôïng ñieän chuyeån.
Chaát daãn ñieän laø vaät chaát maø ôû traïng thaùi bình thöôøng coù caùc ñieän tích töï do. Neáu
ñaët nhöõng vaät lieäu naøy vaøo trong moät tröôøng ñieän, caùc ñieän tích seõ chuyeån ñoäng
theo höôùng nhaát ñònh cuûa tröôøng vaø taïo thaønh doøng ñieän.
Vaät lieäu daãn ñieän coù theå laø caùc vaät lieäu ôû theå raén, loûng vaø trong moät soá tröôøng hôïp
ñaëc bieät coù theå laø caû ôû theå khí.
*Caùc vaät lieäu ôû theå raén: Goàm kim loaïi, hôïp kim vaø moät soá bieán theå cuûa cac-bon
(than kyõ thuaät ñieän).
Kim loaïi daãn ñieän chia laøm 2 loaïi: Loaïi coù ñieän daãn cao vaø loaïi coù ñieän trôû cao.
Loaïi coù ñieän daãn cao ñöôïc duøng laøm daây daãn; loõi caùp, cuoän daây cuûa maùy bieán aùp
vaø maùy ñieän, cuoän daây soùng, anot cuûa caùc ñeøn phaùt coù coâng suaát lôùn…
Kim loaïi, hôïp kim coù ñieän trôû cao ñöôïc duøng trong caùc duïng cuï nung baèng ñieän
trôû nhö ñeøn thaép saùng, bieán trôû…
*Vaät lieäu daãn ñieän ôû theå loûng: Goàm kim loaïi loûng (noùng chaûy) vaø caùc dung dòch
ñieän phaân (ôû nhieät ñoä phoøng coù theå keå thuûy ngaân Hg).
Cô caáu cuûa söï daãn ñieän cuûa kim loaïi (daïng raén vaø daïng loûng) laø do söï di chuyeån
cuûa caùc ñieän töû töï do, do ñoù caùc vaät lieäu naøy coù ñieän daãn ñieän töû (thöôøng ñöôïc
goïi laø vaät lieäu daãn ñieän loaïi 1)
Caùc chaát ñieän phaân (thöôøng goïi laø vaät lieäu daãn ñieän loaïi 2) nhö caùc dung dòch axit,
bazô, muoái … cô caáu cuûa söï daãn ñieän cuûa loaïi naøy laø do söï di chuyeån cuûa caùc ion,
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang 2
Chöông 1: VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN
heä quaû laø caùc thaønh phaàn cuûa chaát ñieän phaân thay ñoåi daàn daàn vaø treân caùc ñieän
cöïc xuaát hieän caùc saûn phaåm ñieän phaân.
Taát caû caùc chaát khí (keå caû khí kim loaïi) trong ñieän tröôøng yeáu khoâng phaûi laø chaát
daãn ñieän. Tuy nhieân neáu ñieän tröôøng vöôït quaù moät giaù trò naøo ñoù (laøm xuaát hieän
caùc hieän töôïng ion do va ñaäp vaø ion hoùa quang) thì chaát khí coù theå trôû thaønh chaát
daãn ñieän coù caû tính daãn ñòeân töû vaø tính daãn ion. Chaát khí bò ion hoùa maïnh coù soá
electron vaø ion döông trong moät ñôn vò theå tích baèng nhau trôû thaønh moät moâi
tröôøng ñaëc bieät goïi laø plazma.
Kim loaïi ñöôïc xem nhö moät heä thoáng caáu taïo töø caùc ion döông naèm trong moâi
tröôøng caùc ñieän töû töï do, chuùng quyeát ñònh nhieàu tính chaát ñaëc tröng cuûa kim loaïi.
-Söùc huùt giöõa caùc ion döông vaø caùc ñieän töû taïo neân tính nguyeân khoái cuûa
kim loaïi.
-Ñaët kim loaïi vaøo ñieän tröôøng ngoaøi, caùc ñieän töû chaïy theo moät höôùng taïo
ra doøng ñieän (tính daãn ñieän cuûa kim loaïi).
-Khi nung noùng kim loaïi, dao ñoäng nhieät cuûa caùc ion döông taêng laøm caûn
trôû ñieän töû chuyeån ñoäng neân ñieän trôû kim loaïi taêng.
-Söï truyeàn ñoäng naêng cuûa caùc ñieän töû töï do vaø caùc ion döông taïo neân tính
daãn nhieät cuûa kim loaïi.
-Caùc ñieän töû khi haáp thuï naêng löôïng aùnh saùng seõ bò kích thích leân möùc cao
hôn, khi trôû veà noù phaùt ra naêng löôïng döôùi daïng böùc xaï. Söï khaùc nhau giöõa 2 möùc
naêng löôïng ñaëc tröng cho taàn soá aùnh saùng phaûn xaï neân moãi kim loaïi coù maøu rieâng
(aùnh kim).
-Tính deûo cuûa kim loaïi ñöôïc giaûi thích laø do caùc ñieän töû töï do baûo ñaûm moái
lieân keát kim loaïi khoâng bò bieán ñoåi khi caùc nguyeân töû (ion döông) dòch chuyeån vò
trí töông ñoái vôùi nhau.
- Moät soá kim loaïi coù ñoä töø thaåm töø, coù tính chaát noùng chaûy (ñieåm noùng chaûy
cuûa hôïp kim khaùc vôùi ñieåm noùng chaûy kim loaïi taïo ra noù), coù tính giaõn nôû nhieät.
-Kim loaïi coù tính choáng laïi söï aên moøn cuûa hôi nöôùc, oxy cuûa khoâng khí ôû
nhieät ñoä thöôøng.
-Hôïp kim laø saûn phaåm cuûa söï naáu chaûy 2 hay nhieàu nguyeân toá maø nguyeân
toá chuû yeáu laø kim loaïi coøn moät löôïng nhoû laø aù kim. Ngöôøi ta thay theá kim loaïi
nguyeân chaát baèng hôïp kim vì kim loaïi coù tính deûo, ñoä beàn thaáp, ñieän trôû nhoû vaø
thay ñoåi theo nhieät ñoä, coù heä soá giaõn nôû nhieät lôùn neân khoâng duøng trong caùc cô
caáu maùy chính xaùc.
-Kim loaïi coù tính chaát cô hoïc: Noù coù khaû naêng choáng laïi taùc duïng cuûa löïc
ngoaøi, noù coù tính chaát coâng ngheä nhö tính caét goït, tính haøn, reøn, ñuùc….
1.1.2 Söï daãn ñieän cuûa kim loaïi
Kim loaïi mang tính daãn ñieän töû, khaùc vôùi tính daãn i-on laø khoâng coù söï chuyeån
dòch nhìn thaáy trong vaät chaát khi coù doøng ñieän chaûy qua.
Maëc duø trong kim loaïi coù moät soá löôïng lôùn caùc ñieän tích chaûy qua trong moät thôøi
gian daøi nhöng khoâng phaùt hieän baát kyø söï thay ñoåi naøo veà khoái löôïng cuõng nhö
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang 3
Chöông 1: VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN
thay ñoåi veà caáu taïo hoùa hoïc (khoâng keå tôùi söï oâxi hoùa kim loaïi); caùc electron naèm
ôû khoâng gian giöõa caùc nuùt tinh theå; chuùng dao ñoäng moät caùch hoãn loaïn, toác ñoä cuûa
chuùng phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä. Kích thöôùc cuûa caùc electron khoâng ñaùng keå so vôùi
kích thöôùc nguyeân töû laïi caøng khoâng ñaùng keå so vôùi khoaûng caùch trung bình giöõa
caùc nguyeân töû; nhö vaäy caùc electron trong möùc ñoä naøo ñoù coù theå xem nhö laø caùc
phaân töû khí. Vì theá ñoâi khi chuùng ñöôïc goïi laø khí ñieän töû. Khi kim loaïi khoâng bò
taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ngoaøi thì söï phaân boá toác ñoä chuyeån ñoäng nhieät cuûa caùc
electron ( vt ) theo caùc höôùng coù xaùc suaát nhö nhau, doøng ñieän khoâng toàn taïi khi
khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi (hình 1.1).
Hình 1.1 Chuyeån ñoäng cuûa caùc electron khi khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi.
Neáu kim loaïi ñöôïc ñaët trong moät ñieän tröôøng ngoaøi E thì moãi electron seõ chòu taùc
ñoäng cuûa moät löïc:
F = e.E
Caùc electron chuyeån ñoäng vôùi moät gia toác ngöôïc höôùng ñieän tröôøng E (hình 1.2)
vaø baèng:
a = m
F = m
eE
Trong ñoù e = -1,6.10 -19 (C) ; m=9,1.10-31 (kg)
Hình 1.2 Caùc electron chuyeån ñoäng ngöôïc höôùng ñieän tröôøng.
Qua thôøi gian t keå töø khi baét ñaàu chuyeån ñoäng vaän toác electron ñaït ñöôïc:
ve = a.t = m
eEt
Toác ñoä chung cuûa electron baèng toång cuûa vt vaø ve.
Caùc electron va chaïm vôùi caùc nguyeân töû ôû nuùt tinh theå, sau moãi laàn va chaïm vaän
toác giaûm veà 0, sau ñoù laïi taêng leân vôùi gia toác a. Goïi t0 laø thôøi gian chuyeån ñoäng töï
do khoâng va chaïm cuûa electron. Khi ñoù toác ñoä cöïc ñaïi cuûa electron laø:
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang 4
Chöông 1: VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN
vemax = m
eEt0
Vaän toác trung bình:
vetb = m
eEt
2
0 = mv
eEl
t
2
Vôùi t0 = l/vt ; l : ñoä daøi böôùc töï do cuûa electron.
Coù theå chöùng minh raèng ñoä daøi böôùc töï do tyû leä nghòch vôùi nhieät ñoä:
NkT
k
ly
π
2
=
Trong ñoù:
ky: Heä soá ñaøn hoài .
N: Maät ñoä nguyeân töû .
k: Haèng soá Boltzmann.
T: Nhieät ñoä
Baûng 1.1: Ñoä daøi böôùc töï do cuûa electron trong moät soá kim loaïi ôû 00C ( ñôn vò A0)
Giaû thieát treân moät ñôn vò theå tích ( laø moät khoái vuoâng coù ñoä daøi laø 1 ñôn vò ) cuûa
vaät chaát coù n haït mang ñieän; giaù trò ñieän tích cuûa moãi haït laø e. Toång ñieän tích töï
do treân ñôn vò theå tích laø ne. Tích cuûa vetb vôùi ne cho ta soá löôïng ñieän tích ôû moät
ñôn vò thôøi gian qua moät ñôn vò maët caét cuûa vaät theå, hay ñoù laø maät ñoä doøng ñieän:
J= ne vetb = E
mv
lne
t
2
2 = E
γ
Ñaây laø coâng thöùc tính cho moät electron. Neáu xeùt taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng leân taäp
hôïp caùc electron töï do thì vaän toác trung bình seõ lôùn hôn côõ hai laàn. Khi ñoù:
γ
= mv
lne
t
2
Nhö vaäy ñieän daãn suaát (do ñoù ñieän trôû suaát vaø ñieän trôû ) cuûa kim loaïi khoâng phuï
thuoäc ñieän aùp ñaët leân noù.
Giaû thieát ñoäng naêng chuyeån ñoäng nhieät cuûa electron tuaân theo ñònh luaät chuyeån
ñoäng nhieät cuûa khí lyù töôûng, ta coù:
kT
mvt
2
3
2
2
=
BAØI GIAÛNG VAÄT LIEÄU KYÕ THUAÄT ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ Trang 5
Chöông 1: VAÄT LIEÄU DAÃN ÑIEÄN
m
kT
vt
3
=
mkT
lne
3
2
=
γ
lne
mkT
2
31 ==
γ
ρ
Vaäy khi nhieät ñoä taêng leân thì ñieän trôû cuûa kim loaïi caøng taêng. Vaät lyù löôïng töû hieän
ñaïi ñöa ra nhöõng coâng thöùc chính xaùc hôn nhöng baûn chaát vaán ñeà khoâng thay ñoåi.
Giaû söû ta quan saùt moät theå tích ñôn
vò döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng E
vuoâng goùc vôùi moät maët cuûa khoái
vuoâng ( hình1.3 ).
Maät ñoä doøng ñieän trong kim loaïi
ñöôïc xaùc ñònh baèng: J = ne vetb (1.1)
Hình 1.3
Maët khaùc:
I =
R
U
I = J.S
U= E.l
R =
ρ
.S
l
Sau khi ñôn giaûn, ta coù:
J =
ρ
E = E.
γ
(1.2)
Töø (1.1) vaø (1.2) ta coù:
γ
= ne E
vetb (1.3)
Tæ soá
μ
= E
vetb ñöôïc goïi laø ñoä linh ñoäng (mobility) cuûa haït mang ñieän, ñôn vò cuûa
μ
laø:
mV
sm
/
/=sV
m
.
2
Coâng thöùc (1.3) ñöôïc vieát theo daïng sau:
γ
= n.e.
μ
Goïi τ laø thôøi gian trung bình giöõa 2 laàn va ñaäp , ta coù : vetb = eEτ /m
Vaäy :
μ
=vetb / E = eτ /m
Baûng 1.2 Ñoä linh ñoäng ñieän töû μe (m2 / V.s ) cuûa moät soá kim loaïi
Ve
Ve
E